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具有PFC功能和低功耗待机的开关电源控制器


摘要:
TDA16846-2和TDA16847-2是英飞凌公司生产的改进型开关电源(SMPS)控制器芯片。文中介绍了其主要特点,重点介绍了基于TDA16846-2的彩电SMPS电路工作原理。
关键词:SMPS;控制器;TDA168460-2/TDA16847;PFC



1 概述

英飞凌(Infineon)公司推出的TDA16846和TDA16847开关电源控制器自投放市场以来,在TV、VCR、SAT接收机及PC监视器等SMPS中获得了广泛应用。目前对这两种控制器进行了改进,并将改进和创新后的器件称为2型或第二代产品,型号分别为TDA16846-2和TDA16847-2。

TDA16846-2/TDA16847-2是支持低功率待机和功率因数校正PFC的SMPS控制器,可用于固定频率PFC或同步模式反激式变换器中,该产品既可以驱动功率MOSFET,也可以驱动双极型功率器件。TDA16846-2/TDA16847-2在轻载下具有低功耗性能,其开关频率可以随负载减轻而逐步降低。



2 TDA16846-2/47-2的结构特点


TDA16846-2和TDA16847-2采用14脚P-DIP-14-3封装,其引脚排列。这两种芯片的内部结构图。

这两种器件的不同点是TDA16846-2的8脚不接,而TDA16847-2的8脚为暂态高功率电路的电源功率管理输出(该脚通过一只电容和一个RC电路与地相连)。两种器件的引脚功能如表1所列。

表1 引脚功能

引  脚符  号

功      能

1OTC内置截止时间电路,该脚与地之间连接RC电路,决定振铃抑制时间和待机频率
2PCS初级电流模拟(检测)
3RZ1调整和过零信号输入
4SRC连接软启动和控制电压调节电容器
5OC1光耦合器输入
6FC2不连接(TDA16846-2)/该脚电压大于1,2V,SMPS截止)
7SYN同步输入
8N.C./PMO不连接(TDA16846-2)/暂态高功率电路功率管理输出(TDA16847-2)
9REF参考电压和电流
10FC1故障比较器1输入(该脚电压大于1V,SMPS截止)
11PVC初级电压检测
12GND
13OUTMOSFET栅极驱动输出
14VCC电源电压


TDA16846-2/TDA16847-2除具有软启动、低功耗、低启动电流及欠压/过压保护、电流限制/短路保护及静电放电ESD保护功能外,还具有如下主要特点:

●带有PFC,并采用电荷泵电路;

●频率随负载减轻可连续降低,在待机模式下,频率可调至20kHz;

●可在固定频率或同步模式下操作;

●带有临时高功率电路(THPC),具有电源管理功能(仅TDA16847-2)。

TDA16846-2/TDA16847-2的5脚(OCI)输入电压范围扩大到0V,该脚与地之间不再需要连接电阻;7脚(SYN)改进了启动特性,阻止了变压器饱和;11脚(PVC)通过加入尖峰信号消隐,提高了抗噪扰能力;13脚(OUT)减小了截止态输出电压电平;14脚(VCC)通过尖峰消隐,改善了抗噪性能。

与先前的TDA16846/TDA16847比较,TDA16846-2和TDA16847-2除进一步强化了低功率待机功能外,还在抗噪性能方面具有明显改善。

TDA16846-2/TDA16847-2支持低功率待机功能,在彩电等应用系统中具有重要意义。美国“能源之星”等标准要求电视机的待机功耗不大于3W,根据中国节能产品认证中心CPCE抽样调查,国产彩电待机功耗低于3W的只占被测彩电总量的13.4%,而9W以上的却占34.8%。目前待机功耗低于3W的国产彩电系列品种虽有较大增加,但距全部实现低于3W的目标尚有一定距离。使用TDA16846-2/TDA16847-2设计的彩电SMPS可以满足低待机功耗的要求,而且可以降低成本。



3 应用电路及工作原理

用TDA16846-2作控制器的SMPS电路。为执行PFC,该电路在桥式整流器与150μF的滤波电容C07之间插入了由电感L08、二极管D08和电容C08组成的电荷泵电路,这样配合功率开关(T01),就可在桥式整流器输入端产生接近正弦波的AC电流,且与AC线路电压接近同相位,从而使线路功率因数(PF)远远大于0.90,电流总谐波失真(THD)低于20%。

3.1 启动特性

SMPS加电之后,由于滤波电容C07正极上有直流干线电压,所以与IC1 2脚连接的电阻R22将有电流通过。该电流从IC1的2脚流入,经2脚与14脚内部连接的二极管参见图2对14脚外部电容C26充电。一旦C26上的充电电压达到15±0.5V的导通电平以上时,芯片开始工作。器件14脚上Vcc导通电流典型值为5mA,通过C26放电使14脚上的电压下降,在尚未降至欠压关断门限时,变压器的辅助绕组(7T)将通过IC14脚外部二极管D26对芯片提供所需的电流。当IC在固定频率下工作时,为防止在启动期间出现多重脉冲,可在IC1的3脚脉冲电压超过2.5V门限之前,使IC1工作于自由振荡(free running)模式。

3.2 初级电流模拟/电流限制

电路中IC1的2脚外部电阻R22和电容C22用于产生一个与功率晶体管T01电流成正比的电压。在T01截止时,脚2上电压为1.5V,这样当C22通过R22被充电时,T01将处于导通状态。此时脚2上的电压V2可表示为:

V2=1.5V+LP IP/(R22 C22)

式中,LP为变压器初级绕组电感,IP为通过功率晶体管的电流。

V2一般施加到IC2脚内的导通时间比较器的同相输入端,并与反相输入端上的控制电压比较。如果V2超过控制电压,驱动器阻断,以起到电流限制作用。控制电压最大值是IC1内的5V参考电压。功率晶体管的最大电流IP(max)为:

IP(max)=[(5V-1.5V)R22 C22]/LP

控制电压可由IC1内的误差放大器、光耦合器或IC1脚11上的电压(V11)来决定。

3.3 折回(Fold Back)点校正

IC1脚11(PVC)上的电压V11可从连接到DC总线与地之间的电阻分压器(R23与R24)上获得。如果经整流的总线电压升高,功率晶体管的最大电流IP(max)将减小。实际上,最大电流IP(max)是独立的,与DC总线电压无关。可表示为:

Ip(max)=[(4V-V11/3)R22 C22]/Lp

3.4 截止时间电路OTC

IC1脚1(OTC)外部与地之间连接的R30和C30用于组成RC并联网络。当IC1驱动器关断时,内部电流源首先用0.5mA的电流对脚1外部电容C30充电。一旦脚3(RZI)上电压达到2.5V,充电电流将达到1mA,直到C30上的电压被充电到3.5V为止。C30的充电时间约为τ=(C30 ×1.5V)/1mA。

当C30上的电压达到3.5V以后,内部电流源将被切断,C30通过R30放电。当IC1脚1上的电压施加到内部截止时间比较器时,比较器的另一个输入就是控制电压。当截止时间比较器输出高电平且脚3上的电压低于25mV时,内部导通时间触发器置位,以保证功率晶体管在最小的电压时接通。如果没有过零信号则进入IC1脚3,那么,在脚1上的电压低于1.5V之前,功率晶体管将经过一段延时之后接通。只要脚1上电压高于被限制的控制电压,导通时间触发器就会截止,以抑制脚3上不适当的过零信号。而一旦控制电压低于2V,关断时间将达到恒定的最大值(≈0.56 R30 C30)。表2列出了控制电压与输出功率及截止时间的关系。

表2 控制电压与输出功率、截止时间关系

控制电压输出功率截止时间
1.5~2V不变(达最大值)
2~3.5V减小
3.5~5V自由振荡


TDA16846-2的负载从属频率曲线。

3.5 误差放大器/软启动

IC1的(RZI)3脚是误差放大器和过零信号输入,(SRC)4脚是控制电压输入。误差放大器的同相输入端是5V参考电压。IC1脚3上的输入信号可从变压器辅助绕组经R38和R29组成的电阻分压器获得。如果脚3上的输入脉冲高于5V门限时,脚4上的控制电压将被拉低。因此,脚4与地之间连接的电容C25可用于决定控制电压的控制速度和软启动持续时间。

3.6 固定频率与同步化操作

在应用电路中,由于IC1的7脚与9脚(5V参考电压输出)是连接在一起的,故IC1工作在自由振荡调节模式。

若要求IC1在固定频率下操作时,脚7与地之间必须连接并联RC网络(Rosc与Cosc),此时,其开关频率fsw将由Rosc与Cosc设定:

fsw≈1.2/Rosc·Cosc。

因此,当Rosc=20kΩ、Cosc=470pF时,fsw=88kHz。

欲使IC1工作在同步模式,脚7上加入的同步信号频率必须高于振荡器的频率。

TDA16847-2的应用电路与TDA16846-2的应用电路相比,除TDA16847-2的8脚外部与地之间需要连接一只100pF的电容及RCR=1MΩ,C=4.7μF电路外,其它部分几乎完全相同。